Wie Tiere die richtige Grösse erreichen

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Die Entwicklung von Hunderten von C. elegans-Fadenwürmern, die in Mikrokammern wachsen, wurde mit Zeitraffermikroskopie aufgezeichnet | Copyright: Towbin Lab | Download

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Collage von Bildern eines C. elegans-Individuums (das ein grün fluoreszierendes Protein produziert), aufgenommen über 48 Stunden vom Schlüpfen bis zum Erwachsenenalter. Zur vereinfachten Darstellung wurden die Bilder der Tiere computergestützt begradigt | Download

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Individuen derselben Art erreichen üblicherweise eine sehr ähnliche Körpergrösse. Diese Einheitlichkeit erstaunt, wenn man bedenkt, dass die Wachstumsgeschwindigkeiten von Individuen sich aufgrund zufälliger Ereignisse in Entwicklungsprozessen und Umwelt deutlich unterscheiden können. Zudem könnten selbst kleine Wachstumsunterschiede zu grossen Grössenunterschieden führen, da Wachstum oft exponentiell verläuft, was kleine Unterschiede über die Zeit verstärkt. Weshalb also erreichen Tiere trotzdem verlässlich eine einheitliche Grösse?

LIVE-IMAGING DES WACHSTUMSPROZESSES
Wie Organismen ihre Grösse steuern, wurde bisher mehrheitlich anhand von einzelligen Mikroben untersucht. Ob mehrzellige Tiere ähnliche oder ganz andere Mechanismen verwenden, blieb hingegen weitgehend unklar. Eine Methode der Zeitraffermikroskopie, eingesetzt in der Forschungsgruppe von Helge Großhans am FMI, hat nun die Beantwortung dieser Frage anhand des Fadenwurms C. elegans ermöglicht. Benjamin Towbin, SNF-Eccellenza-Professor am Institut für Zellbiologie der Universität Bern, erlernte und optimierte diese Methode im Großhans-Labor und transferierte sie an seine neu gegründete Forschungsgruppe and der Universität Bern. Er nutzte die Methode, um die Entwicklung von hunderten C. elegans vom Schlüpfen bis zum Erwachsenwerden mikroskopisch aufzuzeichnen.

WER SCHNELL WÄCHST WIRD FRÜHER ERWACHSEN
In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie beschreibt Benjamin Towbin einen Mechanismus, der die Einheitlichkeit der Körpergrösse zwischen einzelnen Individuen gewährleistet. Dieser Mechanismus scheint aber nicht die Grösse als solche zu messen: «Der Mechanismus erkennt, wie schnell ein Individuum wächst und passt die Zeit, nach der dieses Individuum erwachsen wird, entsprechend an», erklärt Towbin. Daher wächst ein langsam wachsendes Individuum über eine längere Zeit, so dass es trotzdem die richtige Grösse erreicht.

GENETISCHE UHR GIBT DEN TAKT VOR
Die Studie zeigt, dass die Verknüpfung von Dauer und Geschwindigkeit des Wachstums über zyklisch ein- und ausgeschaltete Gene gesteuert wird, also über Gene, die in ihrer Expression oszillieren. Aus der Forschung des Großhans-Labors war bekannt, dass solche oszillierenden Gene wie eine Uhr funktionieren, indem sie die Dauer der Jugendentwicklung steuern: nach genau vier Genexpressionszyklen endet die Jugendentwicklung und die Tiere werden erwachsen. Darauf aufbauend, entwickelte Benjamin Towbin feingesteuerte molekularen Manipulationen, welche diese Uhr verschnellern. Dadurch wurden die Tiere früher erwachsen und hatten eine kleinere Körpergrösse, wie es Towbin bereits anhand eines mathematischen Modells vorhergesagt hatte.

«Das mathematische Modell zeigt auch, dass der Einfluss der Wachstumsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit von zyklischer Genexpressionen nicht spezifisch für Fadenwürmer ist», erklärt Towbin. «Ein ähnliches Prinzip könnte daher auch in zahlreichen anderen Organismen wirken.» Beispielsweise ist auch an der Entwicklung der Wirbelsäule von Wirbeltieren ein genetischer Oszillator beteiligt, dessen Kopplung zum Wachstum die richtige Grösse und Anzahl der Wirbel sicherstellen mag.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Benjamin Towbin
Universität Bern
Institut für Zellbiologie, Organismal Systems Biology Lab
Telefon: +41 31 684 46 72
E-Mail: benjamin.towbin@unibe.ch

Originalpublikation:
Klement Stojanovski, Helge Großhans, Benjamin D. Towbin. Coupling of growth rate and developmental tempo reduces body size heterogeneity in C. elegans. Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-022-29720-8, https://www.nature.com/articles/s41467-022-29720-8